Существующие в настоящее время неразрушающие методы контроля впри-

менении к резьбам имеют ряд недостат­ков. Это объясняется трудностью обнару­жения дефектов в сложном контролируе­мом профиле, а также разнообразием ма­териалов и типоразмеров деталей. Про­филь контролируемой резьбы меняется от витка к витку при ее входе и сгоне до но­минального значения. Большое разнообра­зие резьбовых деталей, значительный раз­брос по диаметрам и шагу затрудняют универсализацию методов контроля.

Еще одним не менее важным факто­ром является место возникновения и раз­вития усталостных трещин. Как правило, трещины располагаются в глубине канав­ки резьбы, прилегая к той или иной грани, однако возможно возникновение трещин также на других витках резьбы и на без- резьбовых участках ОК, особенно если на них имелись какие-либо повреждения.

Применяемые для дефектоскопии резьб такие методы неразрушающего кон­троля, как магнитопорошковый, вихрето­ковый, проникающих жидкостей, имеют один общий недостаток. Они требуют предварительной разборки соединения. В отличие от них ультразвуковой метод по­зволяет контролировать резьбу без раз­борки. Обычный способ контроля - пря­мым совмещенным преобразователем со стороны торцевой поверхности резьбовой части. Возникающие при этом проблемы заключаются в отстройке от ложных сиг­налов, вызываемых отражением от резьбы, и многократных ложных сигналов, соот­ветствующих поперечным волнам, про­шедшим поперек сечения стержня (см. разд. 1.1.2, рис. 1.12, б). Вследствие нали­чия таких ложных сигналов единой мето­дики УЗ-контроля резьбовых соединений не существует. Для каждого типа изделий приходится разрабатывать специфическую методику.

Контроль стяжных болтов узлов самолетов. Контроль выполняется в соот­ветствии с инструкцией ПИ-075-86ИК "Контроль ультразвуковым методом тела болтов диаметром от 8 до 26 мм" и разра­ботанных на ее основе инструкций для

Рис. 5.99. Бездефектный болт с фрезерованными рисками в качестве СОП при контроле стяжных болтов узлов самолетов: 1 - прямой преобразователь, 2 - резьбовая часть болта, 3 - головка болта, 4 - риска вблизи галтели; 5 - риска вблизи конца резьбовой части; 6 - зондирующий импульс; 7 - донный сигнал; 8 - строб-импульс; 9 - эхосигнал от риски вблизи галтели, 10- эхосигнал от риски вблизи конца резьбовой часть

конкретных болтов. Используется прямой совмещенный преобразователь на частоту 4 ... 5 МГц. Поверхность ввода - торцевая поверхность резьбовой части болта. Ее очищают от загрязнений, краски, заусе­нец.

Стандартные образцы предприятия - бездефектные болты с фрезерованными рисками. Например, в болтах диаметром 16 мм и более выполняют две риски: глу­биной h = 1,5 мм в галтельной части болта и глубиной 0,8 мм в резьбовой части (рис. 5.99, а). Реже в качестве СОП ис­пользуют стержень, совпадающий с кон-

тролируемым болтом по материалу, длине и диаметру с плоскодонным отверстием диаметром 2 мм на оси со стороны одного из торцов.

Настройку длительности развертки выполняют по сигналу от донной (проти­воположной торцевой) поверхности. Чув­ствительность и стробирование зоны кон­троля при использовании СОП с рисками настраивают, перемещая преобразователь по поверхности ввода образца до получе­ния максимального эхосигнала от риски вблизи галтели. При этом обычно преоб­разователь находится диаметрально про­тивоположно относительно искусственно­го дефекта, т. е. дефект выявляется боко­вым лучом. Строб-импульс устанавливают
так, чтобы в него попадал сигнал от риски и зона около 10 мм вблизи этого сигнала (рис. 5.99, б). Амплитуду эхосигнала уста­навливают на всю высоту экрана дефекто­скопа. Это соответствует браковочному уровню чувствительности при контроле галтельной части болта. При этой на­стройке проверяют галтельную часть всех контролируемых болтов.

Далее перемещают преобразователь по поверхности ввода образца до получе­ния максимального эхосигнала от риски в резьбе (рис. 5.99, в). Строб-импульс уста­навливают так, чтобы в него попадал сиг­нал от риски. Начало его было правее зон­дирующего импульса, а конец ближе дон­ного сигнала. Амплитуду эхосигнала от

риски устанавливают на всю высоту экра­на дефектоскопа. Это соответствует бра­ковочному уровню чувствительности при контроле резьбовой части болта. Повы­шают чувствительность на 6 дБ. Эта чув­ствительность соответствует поисковому уровню. При этой настройке проверяют резьбовую часть всех контролируемых болтов. Обычно можно наблюдать на ли­нии развертки несколько последователь­ных эхосигналов от искусственного де­фекта.

Проводят последовательно контроль галтельной и резьбовой частей болта пу­тем перемещения преобразователя вкру­говую по торцевой поверхности болта.

При появлении эхосигналов в зоне, соот­ветствующей галтельной части, измеряют условную протяженность трещины по ок­ружности болта. При появлении эхосигна­лов в зоне, соответствующей резьбовой части, измеряют глубину залегания тре­щины. Данные записывают в журнал кон­троля, а дефектные болты маркируют красной краской.

О применении ультразвука для кон­троля болтов в авиации сообщается в [429, докл. 19]. Контроль рекомендуется прово­дить как со стороны головки, так и со сто­роны торца резьбовой части. Используются прямые преобразователи на частоту 10 ... 15 МГц с диаметром пьезоэлемента 10 мм.

б)

Рис. 5.102. Контроль болтов и
шпилек крепления крышки атомного
реактора к корпусу:

а - болт со шлицем; б - болт с шестигранной
выемкой на головке; I - головка болта;

2 - преобразователь; 3 - пьезоэлементы

Контроль резьбовых соединений локомотивов и вагонов. На железнодо­рожном транспорте контролируются [154] резьбовые соединения болтов крепления электродвигателей, болтов подвешивания и стержней подвешивания. Контроль вы­полняется с торца резьбовой части пря­мым преобразователем на частоте 5 МГц, как стяжных болтов самолетов. Преобра­зователь устанавливается в 8 точках Б по окружности.

На рис. 5.100,а приведена схема СОП для контроля стержней подвешивания. Контроль выполняется с поверхности, показанной стрелкой А в тт. Б. Чувстви­тельность настраивается по пропилу глу­биной h = 3 ± 0,3 мм, шириной 1 ... 4 мм, расположенному в сечении В-В. Глубина отсчитывается от основания резьбы. На рис. 5.100,6 показана развертка типа А при контроле стержня.

Контроль шпилек энергооборудо - вания. Контроль шпилек М42 и больших диаметров осуществляется прямым преоб­разователем с торца, как для стяжных бол­тов самолетов. Недостаток способа заклю­чается в возможном плохом качестве по­верхности торцов, а главное, - в мешаю­щем влиянии отражения от боковой по­верхности. По этой причине возможен пропуск трещин глубиной 1 мм, располо­женных на расстоянии 100 ... 200 мм от торца, сигнал от которых может ослаб­ляться на 21 ... 23 дБ. Значительно надеж­нее выявляются трещины при меньших расстояниях.

Предложены [258] способы выявле­ния трещин наклонным преобразователем с гладкой боковой поверхности (рис. 5.101, а) и с торца шпильки (рис. 5.101, б). Реко­мендуется использовать преобразователь на частоту 5 МГц с углом р в призме 50° для первого варианта и 40° для второго варианта. При контроле бездефектного участка резьбы наблюдают эхосигналы от семи-восьми витков резьбы. Амплитуда этих сигналов плавно изменяется при движении преобразователя.

Наличие дефекта, имитируемого над­резом, вызывает возрастание суммарной амплитуды эхосигналов и экранировку сигналов от одного-двух витков после витка с трещиной. Методика контроля предусматривает построение графиков изменения амплитуд эхосигналов АА от каждого витка и наблюдение за аномаль­ным уменьшением или увеличением ам­плитуды при движении преобразователя (рис. 5.101, в). Возможно выявление де - фектов глубиной 1,5 ... 2 мм без вывора­чивания шпильки.

Контроль болтов и шпилек креп­ления крышки атомного реактора к корпусу. Контроль выполняется с доступ­ной части болта или шпильки - головки болта или торца шпильки. Болты со шли­цем контролируют двумя прямыми преоб­разователями контактным методом (рис. 5.102, а) на частоте 10 МГц [422, с. 1407].

Болты, имеющие шестигранную вы­емку на головке (рис. 5.102, 6) под специ­альный ключ, японские специалисты кон­тролируют иммерсионным методом, при­чем роль ванны играет выемка. Дно выем­ки делают коническим с углом при вер­шине 50°. Продольная волна от излучате­ля-приемника падает на коническую по­верхность под углом 16°. В результате преломления в металле болта (сталь) вдоль его оси распространялась попереч­ная волна. Преобразователь совершает оборот относительно оси болта. Использо­вание поперечной волны позволяет изба­виться от ложных сигналов, связанных с трансформацией продольной волны в по­перечную на боковых поверхностях болта.

Методику контроля шпилек АЭС го­ловными волнами разработали Н. П. и

А. Н. Разыграевы [427, докл. СЗО]. Схема контроля показана на рис. 5.103. Приме­няется преобразователь головных волн по схеме тандем. Как отмечалось в разд.

1.1.2, головные волны дают слабое отра­жение от неровностей вблизи поверхно­сти, в том числе от резьбы (см. рис. 1.9), что благоприятствует выявлению трещин под резьбой. Чувствительность настраива­ется по плоскодонному отверстию диа­метром 3 мм, расположенного непосред­ственно под резьбой. Ось отверстия рас­полагают параллельно оси шпильки, дно располагают в 20 мм от начала резьбы.

Применение методики рационально, когда торец шпильки неровный, что пре­пятствует достижению стабильного аку­стического контакта. Методика апробиро­вана на шпильках Ml70 и М80.

Рис. 5.103. Контроль шпилек головными волнами: 1 - излучающий преобразователь; 2 - УЗ-волны в призме, падающие под первым критическим углом; 3, 5 - излученная и принятая головная волна; 4 - дефект; 6 - боковая волна в призме приемника; 7 - приемный преобразователь

Резьбовые соединения бурильных труб. Колонны бурильных труб наращи­вают навинчиванием следующих секций. При работе в скважине бурильная колонна испытывает знакопеременные нагрузки, которые являются основной причиной возникновения и развития усталостных трещин в резьбовой части, прежде всего в местах сбега резьбы. Обрыв колонны - очень серьезная авария.

Бурильные трубы имеют диаметр 42, 50 и 63 мм, максимальная толщина стенки 10 мм. Резьбовая часть имеет конусность приблизительно 2°. Она обычно состоит из 20 ниток резьбы с шагом 2,54 мм, глу­биной 1,4 мм.

Контроль ведут эхометодом наклон­ными преобразователями поперечных волн (рис. 5.104, а). Разработка методики контроля (Ляпков А. А. и др.) состояла в выборе угла ввода и расстояния от резьбы, при которых достигается минимальный уровень ложных сигналов при получении достаточно большого эхосигнала от тре­щины, имитируемой пропилом глубиной 1 мм. Пропилы располагали в начале, се­редине и конце резьбы со сдвигом друг от друга на 120°. В качестве оптимальных был выбран угол плексигласовой призмы 55 ... 56° (угол ввода 75 ... 80°), а рас­стояние от резьбы 180 ... 200 мм. Опти­мальная частота - 5 МГц.

Подготовка к контролю состоит в том, чтобы найти положение преобразова­теля, обеспечивающее получение эхосиг - налов от всех трех искусственных дефек­тов. Развертку и систему стробирования настраивают так, чтобы фиксировать эти эхосигналы. Найденное положение преоб­разователя отмечают и на этом расстоянии перемещают преобразователь вдоль со­единения, т. е. вокруг трубы.

Глубина выявляемых по описанной методике дефектов 0,3 мм и более. Это надежно предотвращает обрыв труб, так как практика показала, что при глубине

Рис. 5.105. Контроль резьбы с внутренней поверхности бурильной трубы: а - схема прозвучивания; б - изображение на экране при отсутствии дефекта; в - изображение на экране при наличии дефекта: 1 - преобразователь; 2 - тело трубы; 3 - местоположение искусственного дефекта; 4 - зондирующий импульс; 5 - эхосигналы от резьбы; 6 - эхосигнал от дефекта

трещины 4 мм обрыв наступает через 20 ... 25 дней эксплуатации. Предложен способ оценки глубины трещин по срав­нению амплитуд эхосигналов от трещины и торца трубы.

Для бурения глубоких скважин при­меняют утяжеленные трубы диаметрами 89, 108 и 146 мм. УЗ-контролю резьбовых соединений мешает опорный уступ около резьбы. Методика контроля применяется та же, но надежно фиксируется дефект глубиной 5 мм [122].

В развинченных трубах возможен контроль резьбы с внутренней поверхно­сти трубы. Появление трещин глубиной 1 мм и более приводит к появлению эхосигналов, значительно превышающих сигналы от резьбы (рис. 5.105).

Контроль удлинителей металло - возных кранов. Методика разработана

А. А. Сельским. Подробную методику кон­троля, утвержденную Госгортехнадзором, предоставляет организация Регионтехсер - вис (г. Красноярск). Контролируются гал­тели резьбовых соединений, сами резьбо­вые соединения. Схемы контроля показа­ны на рис. 5.106. Контроль ведут на часто­тах 1,8 ... 5 МГц. Чувствительность, как правило, настраивают по пропилу глуби­ной 0,6 мм в СОП, аналогичных контро­лируемому объекту.

Согласно рис. 5.106, а, контролируют галтель без шейки. По схеме рис. 5.106, в контролируют галтель с шейкой. При па­дении поперечной волны по касательной к цилиндрической поверхности галтели воз-

Эхосигнал от выхода трещины

ПЭП Трещина ПЭП

б)

ПЭП

Рис. 5.106. Контроль удлиннителей
металловозных кранов:

а - галтель без шейки; б - галтель
с шейкой, нерекомендуемая схема;
в - галтель с шейкой, рекомендуемая
схема; г - использование головной
волны

никает дифракционная волна обегания рэлеевского типа, выявляющая трещины. Схема рис. 5.106, б демонстрирует непра­вильную методику контроля: эхосигнал от возможной трещины приходит на тот же участок линии развертки, что и эхосигнал от галтели. Схема рис. 5.106, г основана на использовании головной волны.

Контроль затяжки резьбы. Качест­венная затяжка резьбы обеспечивает пре­
дотвращение развинчивания. Она позво­ляют определять такие дефекты резьбовых соединений, как перекос фланца и недос­таточная его жесткость.

Наиболее распространенный способ контроля затяжки резьбы - по напряжени­ям, возникающим в болте или шпильке, - рассмотрен в разд. 7.4. Другой способ - по площади соприкосновения свинчиваемых деталей и контактному давлению в резь-

бовом соединении. Повышение напряже­ния натяга вызывает увеличение площади касания свинчиваемых деталей и увеличе­ние контактного давления, а их возраста­ние улучшает прохождение ультразвука.

При свинчивании бурильных труб часто необходимо обеспечить герметич­ность соединения. Это достигается приме­нением резьбы конического типа и гаран­тированного натяга при сборке. Опти­мально усилие затяжки, при котором на­пряжения в деталях близки к пределу те­кучести. О. М. Карпаш и др. [427, докл. В11] исследовали прохождение ультразвука между поверхностями двух стальных образцов в зависимости от при­лагаемого давления (до 240 МПа) с целью возможности контроля радиального натяга при свинчивании бурильных труб. Часто­ту ультразвука изменяли от 0,6 до 5 МГц. Оптимальной была признана частота 5 МГц, на которой изменение амплитуды было наибольшим. Показано, что измене­ние параметра шероховатости поверхно­сти Rz в пределах от 20 до 60 мкм и типа смазки почти не влияет на величину ам­плитуды, а отсутствие смазки уменьшает амплитуду на 12 дБ.

Натяг контролировали зеркально­теневым методом (рис. 5.107, а). На
рис. 5.107,6 показано изменение амплиту­ды прошедшего сигнала в зависимости от числа оборотов п при свинчивании [163]. Интерес представляют максимальные зна­чения амплитуд Аи. Периодический ха­рактер изменения амплитуды позволил применить метод оптимальной фильтрации, дающий возможность получить макси­мальное отношение сигнал/помеха [248].

Количественную оценку оптималь­ной величины натяга при свинчивании получают, измеряя изменение напряжения натяга в функции от угла поворота свин­чиваемых деталей [423, с. 203; 427, докл. В11]. Процесс свинчивания считают законченным, если производная измене­ния амплитуды прошедшего сигнала А от угла поворота ф равна нулю или по моду­лю меньше определенного значения на протяжении некоторого угла поворота (рис. 5.108, а). Установка для контроля прохождения ультразвука в процессе за­винчивания показана на рис. 5.108, б. Од­новременно измеряется изменение скоро­сти прохождения УЗ.

И. Б. Московенко и др. установили эффективность применения низкочастот­ного акустического метода для контроля резьбового соединения [423, с. 217]. Кон­тролировалось изделие типа кожуха с демпфером. Прибором "Звук 203" измеря-

лась собственная частота / ОК после уда­ра. Рис. 5.109 показывает, что если частота достигает 2,9 кГц, момент натяга М соот­ветствует требуемому значению.

С. Л. Наумов и В. В. Черняк (КНИГА) предложили контролировать плотность посадки шпилек в тело картеров двигате­лей импедансным методом. В настоящее время плотность посадки проверяют кос­венными способами: простукиванием или

измерением крутящего момента динамо­метрическим ключом. На рис. 5.110 пока­зан разработанный способ контроля. С повышением плотности посадки увели­чивалась резонансная частота. Сопостав­ления с измерением динамометрическим ключом проводились для шпилек одного типоразмера на постоянном рас­стоянии / и показали удовлетворительное совпадение.